一、背景

原子力显微镜（AFM）被称为纳米科技的“眼睛和手”，是纳米尺度物性测量中不可或缺的科学仪器。目前，国内外已有许多高校开设了基于AFM仪器的本科实验项目。然而， AFM属于精密科学仪器，已有的AFM仪器产品主要面向科研或工业应用，操作复杂，对实验人员要求较高，开设本科实验项目效果不理想。目前，国内外尚未见有采用压电自感应探针的AFM仪器产品。

二、仪器组成与工作原理

自制的AFM教学仪器不仅能够兼容使用传统的基于激光检测的微悬臂探针，还能够使用2种自感应探针，具备传统AFM的所有功能。AFM教学仪器主要由力传感探针、反馈控制系统、压电扫描系统、位置粗调系统、以及计算机控制与数据处理系统等组成。与通常基于激光检测原理的AFM不同的是，音叉型压电自感应探针可采用自激发和自检测的驱动传感方式，AFM的形貌成像采用“频率调制”和锁相技术测得探针振动频率，通过反馈与控制系统构建出样品表面的形貌图像，不仅使用方便而且测量更加准确。

图1. 自感应探针AFM的仪器实物照片。	图2.AFM教学仪器的主机。 1.主机探头1.1.探针架1.2.观察窗口 1.3.激光位置的调节旋钮 1.4.探测器位置的调节旋钮 2.主机底座2.1.样品位置的调节旋	图3 .AFM教学仪器可使用的各种AFM探针 （a）常规的激光检测用的微悬臂探针； （b）商品化的音叉型自感应探针（A-Probe）； （c）拟研发的对称结构音叉型自感应探针（原型照 片，针尖未处理）

三、实验内容与应用效果

	图4. 自感应探针的Q曲线测量结果。 AFM教学仪器可用于开设AFM形貌观察、力传感、纳米刻蚀等实验项目，也可用于综合性、开放性、创新型或研究型教学实验等扩展实验内容。		图5.采用自感应探针AFM 获得的典型的频移-距离曲线。图中所示的频移-距离曲线可等效变换为力梯度-距离曲线，并可以进一步分析得到被测样品在纳米尺度的黏弹等物理特性。
	图6.用激光检测探针扫描得到的AFM形貌图（5 μm×5 μm）。 （a）接触模式形貌图 （b）轻敲模式形貌图		图7.采用自感应探针AFM 扫描得到的形貌图（软磁盘样品）。 （a）28 μm×28 μm （b）8 μm×8 μm

四、结论

采用基于石英音叉的压电自感应探针作为AFM中的力传感探针，实现自感应探针的自激发、自检测和频率调制的测量成像，物理原理更加清晰。

采用自感应探针研发的AFM教学仪器具有结构简单、使用方便等显著优点，能够开设一系列的本科实验项目，契合本科实验教学的要求。